3.
CALIBRAÇÃO DE TEMPO E FREQÜÊNCIA
3.1.
Calibração de freqüência e rastreabilidade
Neste capítulo, serão abordados a calibração de tempo e freqüência, os
principais métodos de calibração e a rastreabilidade.
O Sistema Internacional de Unidades (SI) estabelece que o período deve
ser expresso sempre em unidades de segundos (s) e a freqüência deve ser
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expressa em hertz (Hz).
A freqüência de sinais elétricos é freqüentemente expressa em kilohertz
(kHz) ou megahertz (MHz), onde 1 kHz é igual a mil (103) ciclos por segundo (=
1000 Hz) e 1 MHz é igual a um milhão (106) de ciclos por segundo (= 1000000
Hz).
Em algumas áreas da Metrologia, uma parte por milhão (1x10-6 = 1 ppm) é
uma quantização usual enquanto em tempo e freqüência medições de uma
parte por bilhão (10-9) são rotina, bem como uma parte por trilhão (10-12).
Dispositivos que geram freqüências bem conhecidas e exatas são
chamados padrões de freqüência, descritos no capítulo 2.7 – Padrões
Atômicos de TF e o Tempo Atômico e 2.8 – O Estado-da-Arte, e devem ser
calibrados com um grau de incerteza que atenda às aplicações do usuário,
atendendo assim o que estabelece o item 5.4.2 (Seleção de Métodos) da
norma NBR ISO/IEC 17025:2005 (ABNT, 2005):
“O laboratório deve utilizar métodos de ensaio e/ou calibração, incluindo
os métodos para amostragem, que atendam às necessidades do cliente e que
sejam apropriados para os ensaios e/ou calibrações que realiza”
Calibrações de freqüência visam medir o desempenho em freqüência de
qualquer
dispositivo.
periodicamente.
Elas
podem
ser
realizadas
continuamente
ou
Calibração de Tempo e Freqüência
70
O dispositivo sob calibração pode ser um gerador de freqüência por si só
ou um oscilador que seja parte de um outro equipamento como, por exemplo,
uma base de tempo para um contador de freqüência ou um gerador de sinal.
Na grande maioria, os laboratórios calibram somente seu melhor oscilador
junto a um laboratório que tenha rastreabilidade nacional e depois calibram
outros equipamentos de
seu parque
de
instrumental ou distribuem,
internamente, este sinal calibrado.
Rastreabilidade: Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um
padrão estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente a padrões nacionais
ou internacionais, através de uma cadeia contínua de comparações, todas tendo
incertezas estabelecidas (item 6.10 do VIM).
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Para realizarmos uma calibração de freqüência, o dispositivo sob
calibração deve ser comparado a um Padrão de Referência.
Padrão de Referência: Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade
metrológica, disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do
qual as medições lá executadas são derivadas (item 6.6 do VIM).
O padrão de referência deve superar o desempenho do dispositivo sob
teste e, usualmente, utilizamos a relação chamada:
Razão de Incerteza de Teste (TUR = Test Uncertainty Ratio) de 10:1
como preferencial. Isto quer dizer que o padrão de referência apresenta
incerteza 10 vezes melhor que o dispositivo sob teste. Incerteza 10 vezes
melhor significa ter uma incerteza 10 vezes menor. Isto nem sempre é possível.
Mas, também é comum utilizar-se TUR 5:1, pois ainda garante que o padrão de
referência pouco contribuirá para a incerteza total (incerteza combinada – vide
capítulo 6).
Uma vez realizada a calibração, o metrologista poderá estabelecer o grau
de exatidão da freqüência gerada pelo dispositivo sob calibração em relação ao
valor da sua freqüência nominal, no instante da calibração.
Calibração de Tempo e Freqüência
71
Exatidão (Accuracy):
a) Exatidão de Medição: Grau de concordância entre o resultado de uma
medição e um valor verdadeiro do mensurando (item 3.15 do VIM).
b) Exatidão de um Instrumento de Medição: Aptidão de um instrumento de
medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.
Observação: Exatidão é um conceito qualitativo (item 5.18 do VIM).
Para estabelecer-se o grau de exatidão da freqüência gerada pelo
dispositivo sob calibração, em relação ao valor da sua freqüência nominal, no
instante da calibração, mede-se a diferença da freqüência atual em relação à
freqüência do Padrão de Referência. Esta diferença é o desvio de freqüência
que a freqüência gerada pelo dispositivo sob calibração apresenta em relação
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à freqüência do padrão de referência.
Desvio: Valor menos seu valor de referência (item 3.11 do VIM).
A probabilidade de que esta diferença esteja dentro de uma faixa de
valores é dada pela incerteza de medição. Para garantir-se que a incerteza de
medição supera os requisitos determinados pelas especificações do dispositivo
sob calibração, utilizam-se equipamentos que estabeleçam uma TUR
adequada e sistemas de medição que apresentem incerteza de medição
compatível com as especificações do dispositivo sob calibração. Em outras
palavras, corresponde a escolher adequadamente as Classes de Exatidão
dos equipamentos e corresponden tes correlações adequadas de TUR:
Classe de Exatidão: Classe de instrumentos de medição que satisfazem a
certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erros dentro de limites
especificados (item 5.19 do VIM).
Quando o valor da freqüência medida atende às especificações do
dispositivo sob calibração, a calibração é bem sucedida. Caso contrário, a
calibração é interrompida e o usuário deve ser comunicado.
O Padrão de Referência deve ter rastreabilidade determinada ao padrão
reconhecido internacionalmente.
Calibração de Tempo e Freqüência
No Brasil, a referência primária, na cadeia de
72
rastreabilidade de Tempo
e Freqüência, está localizada no LPTF da Divisão Serviço da Hora do
Observatório Nacional.
Em algumas áreas da Metrologia, a rastreabilidade pode ser obtida
enviando-se o padrão para o NMI para calibração ou enviando um conjunto de
materiais de referência ao usuário. No caso de Tempo e Freqüência, estes dois
métodos não são práticos pois os osciladores (componentes básicos dos
geradores de freqüência) são sensíveis às condições ambientais e a vibrações
mecânicas, além de não poderem ser desligados. Por estas razões, é
aconselhado realizar-se as calibrações no próprio local de uso.
Para realizar-se uma calibração de um equipamento no laboratório do
cliente, utiliza-se de Padrões de Transferência a fim de fornecer uma
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freqüência de referência do Padrão Nacional ao laboratório de calibração.
Padrão de Transferência: Padrão utilizado como intermediário para comparar
padrões.
Observação: A expressão “dispositivo de transferência” deve ser utilizada
quando o intermediário não é um padrão (item 6.8 do VIM).
Embora se tenha dito que não é prático se deslocar fisicamente um
oscilador para realização de uma calibração, sempre que for necessário
deslocar-se um Padrão de Transferência desde o NMI até o laboratório do
cliente, deve-se seguir a norma NBR ISO/IEC 17025:2005 (ABNT, 2005). Para
isso, o Sistema da Qualidade do laboratório deve ter procedimentos
documentados de forma a garantir que, antes de sair das instalações do NMI, o
padrão e os equipamentos de medição que serão usados na calibração tenham
seus status de calibração confirmados por meio de medições e as medidas
obtidas sejam devidamente registradas. Deve-se evitar choques térmicos e
mecânicos nos equipamentos durante seu transporte e, durante todo o tempo,
as condições ambientais devem ser monitoradas e registradas. Tão logo o
Padrão de Transferência e demais equipamentos retornem ao NMI, seus status
devem ser comparados com os registrados quando de sua partida.
Calibração de Tempo e Freqüência
73
Também se pode realizar calibração remota, sem necessidade de
deslocamento físico, utilizando-se, por exemplo, sinais de radio-navegação
como o GPS (Global Positioning System). A utilização de um sistema de
calibração como este fornece um sinal de referência com rastreabilidade e nível
de incerteza conhecidos e tem a grande vantagem de permitir calibrações
simultâneas, em diferentes localidades que possuam receptor de satélite
adequado, sem o inconveniente do deslocamento físico de padrões de
freqüência.
Evidentemente
que
o
laboratório
deve
estabelecer
um
procedimento técnico para realização deste tipo de calibração a fim de
descrever o Método de Calibração, conforme estabelece o item 5.4.1 da norma
NBR ISO/IEC 17025:2005:
“O laboratório deve utilizar métodos e procedimentos apropriados para
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todos os ensaios e/ou calibrações dentro do seu escopo. Estes incluem
amostragem, manuseio, transporte, armazenamento e preparação dos itens a
serem ensaiados e/ou calibrados e, onde apropriado, uma estimativa da
incerteza de medição, bem como as técnicas estatísticas para análise dos
dados de ensaio e/ou calibração.”
Bem como atender o estabelecido no item 5.4.2 ( Seleção de Métodos) da
norma NBR ISO/IEC 17025:2005:
“Quando o cliente não especificar o método a ser utilizado o laboratório
deve selecionar métodos apropriados que tenham sido publicados em normas
internacionais, regionais ou nacionais, por organizações técnicas respeitáveis,
em textos ou jornais científicos relevantes ou especificados pelo fabricante do
equipamento. Podem também ser usados métodos desenvolvidos ou adotados
pelo laboratório, se forem apropriados para o uso e se estiverem validados.”
Dois importantes parâmetros em uma calibração de freqüência são:
deslocamento de freqüência (frequency offset )
estabilidade
O deslocamento de freqüência (frequency offset) está associado à
exatidão (accuracy) da freqüência e a estabilidade está associada à incerteza
do valor da freqüência do oscilador ao longo de um período de tempo.
Calibração de Tempo e Freqüência
74
A medição do deslocamento de freqüência não diz nada sobre a
qualidade de um oscilador.
A estabilidade de freqüência é que caracteriza bem se um oscilador é
“confiável” quanto à sua função de gerar um determinado valor de freqüência
ao longo do tempo.
Ao realizar-se uma calibração de um dispositivo que gere um sinal com
uma determinada freqüência (por exemplo: 5 MHz), o objetivo é identificar o
desvio de freqüência e também explicitar a incerteza de medição.
Em geral, a medição é realizada por comparação de fase entre o sinal
gerado pelo dispositivo sob calibração e o sinal de referência.
Há vários métodos para se realizar este tipo de calibração.
Sabendo-se o desvio de fase ocorrido em um determinado intervalo de
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tempo (período de medição ou intervalo de medição), determina-se o desvio
de freqüência.
O Desvio de Freqüência Relativo é igual a:
∆f
f
= −
∆t
(3.1)
T
Sendo T o período de medição (intervalo de medição) e ∆t é o desvio de
fase (em unidades de tempo) observado durante o período de medição T e ∆f
é o desvio de freqüência correspondente e f é a freqüência de referência que,
no caso, corresponde ao valor da freqüência nominal do dispositivo sob
calibração.
Por exemplo, se tivermos medido um desvio de fase de +1 µs
(microssegundo) ocorrido no intervalo de medição de 24 h (horas), teremos,
após converter as duas medidas para segundos, que:
∆t = +1 µs = 10-6 s
T = 24 h = 86400 s
Calibração de Tempo e Freqüência
75
Logo:
∆t
T
=
10
−6
s
= 1,16x10− 11
(3.2)
86400s
Assim, um oscilador que acumule um desvio de fase de 1 µs
(microssegundo) por dia apresenta um desvio de freqüência relativo de
1,16x10-11 em relação à freqüência de referência.
Sendo:
∆t
= 1,16x10− 11
(3.3)
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T
A partir deste valor de desvio de freqüência relativo, podemos determinar
o ∆f (desvio de freqüência) correspondente para a freqüência
f que foi
medida. Assim, por exemplo, para f = 5 MHz, tem-se:
∆f = 1,16x10-11 x (5000000) = 0,000058 Hz; ou seja, a freqüência medida
é igual a 5000000,000058 Hz.
A tabela 2 apresenta, como exemplo, uma lista de valores de desvio de
freqüência relativo para alguns valores de desvio de fase e correspondentes
períodos de medição (intervalo de medição):
O valor do período de medição (T) deve ser avaliado e devidamente
escolhido a fim de que possamos medir o desvio de fase (∆t) de modo que a
configuração do sistema de medição e a freqüência de referência tenham o
mínimo de influência sobre a incerteza de medição, em especial o ruído de fase
que os osciladores apresentam.
Calibração de Tempo e Freqüência
76
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Tabela 2 - Exemplos de desvio de freqüência
Intervalo de
Medição
Desvio de Fase
Desvio de Freqüência
Relativo
1s
1 ms
1,00x10-3
1s
1 µs
1,00x10-6
1s
1 ns
1,00x10-9
1h
1 ms
2,78x10-7
1h
1 µs
2,78x10-10
1h
1 ns
2,78x10-13
1 dia
1 ms
1,16x10-8
1 dia
1 µs
1,16x10-11
1 dia
1 ns
1,16x10-14
3.2.
Estabilidade
Estabilidade: Aptidão de um instrumento de medição em conservar constantes
suas características metrológicas ao longo do tempo.
Quando a estabilidade for estabelecida em relação a uma outra grandeza
que não o tempo, isto deve ser explicitamente mencionado.
A estabilidade pode ser quantificada de várias maneiras, por exemplo:
•
pelo tempo no qual a característica metrológica varia de um valor
determinado; ou
•
em termos da variação de uma característica em um determinado
período de tempo (INMETRO, VIM, 2003).
Estabilidade de freqüência de um oscilador caracteriza sua capacidade de
gerar um mesmo valor de freqüência ao longo de um intervalo de tempo. A
estabilidade não diz nada sobre a exatidão da freqüência, mas somente se seu
valor permanece o mesmo (faixa de valores) ao longo do tempo.
Calibração de Tempo e Freqüência
77
Um oscilador pode não estar exato em relação a sua freqüência nominal
de funcionamento e, no entanto, apresentar boa estabilidade: manter o valor da
freqüência gerada dentro de uma faixa estreita de valores.
A figura 46 ilustra dois sinais, onde um apresenta freqüência estável e
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outro apresenta freqüência instável (“estabilidade ruim”):
Figura 46 - Estabilidade de freqüência
A estabilidade de freqüência é caracterizada por uma estimativa
estatística das variações de freqüência em um determinado intervalo de tempo.
Estabilidade no Curto-Prazo (Short-Term stability) é, usualmente,
associada à variações observadas em intervalos menores ou igual a 100 s e
maiores ou igual a 1 s.
Estabilidade no Longo-Prazo (Long-Term stability) é associada a
variações observadas em intervalos maiores que 100 s e menores que 1 dia.
Porém, se refere, usualmente, a períodos maiores que um dia ( ou dias),
meses ou anos.
Um oscilador apresenta, tipicamente, em suas especificações técnicas,
suas característica de estabilidade para intervalos de tempo de 1, 10, 100 e
1000 s.
Calibração de Tempo e Freqüência
78
As estimativas de estabilidade podem ser feitas no domínio da freqüência
ou no domínio do tempo.
Estimativas no domínio do tempo são mais usadas em virtude de se
utilizar freqüentemente contadores de intervalo de tempo nas medições de
freqüência.
Para estimar a estabilidade, no domínio do tempo, deve-se realizar um
conjunto de medições do desvio de freqüência em determinado intervalo de
tempo e, posteriormente, calcular a dispersão destes valores. Quanto maior a
dispersão, maior a instabilidade de freqüência do oscilador. O método de
avaliação desta dispersão será abordado no Capítulo 6.
A seguir, características de alguns tipos de osciladores, em especial,
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quanto à estabilidade e desvio de freqüência.
Osciladores a Quartzo apresentam variação da freqüência de ressonância
com a temperatura. Em função do tipo de circuito utilizado para compensação
de variações de freqüência com a temperatura, podemos definir três categorias
de osciladores a quartzo: XO, TCXO e OCXO.
Oscilador XO é o oscilador a quartzo que não possui nenhum circuito para
compensação de variações de freqüência com a temperatura. Um típico circuito
XO apresenta variação de ± 25 ppm para a faixa de – 55 oC a + 85 oC.
No TCXO, um sensor de temperatura (um termistor) é utilizado para gerar
uma tensão elétrica de correção que é aplicada a uma reatância variada por
tensão (um varactor) no circuito do cristal de quartzo (figura 47). A variação da
reatância compensa a variação intrínseca da freqüência do cristal de quartzo
com a variação da temperatura. TCXOs analógicos conseguem melhorar o
desempenho em até 20 vezes em relação a um XO, obtendo variação de ± 1
ppm para a faixa de – 55 oC a + 85 oC.
Em um OCXO, o cristal de quartzo e outros componentes sensíveis à
temperatura são mantidos dentro de uma câmara térmica (forno = oven) com
temperatura controlada de forma a obter variação de freqüência próxima de
zero com a variação da temperatura. OCXO conseguem melhorar o
Calibração de Tempo e Freqüência
79
desempenho em até 1000 vezes ou mais em relação a um XO, obtendo
variação de ± 5 x 10-9 para a faixa de – 55 oC a + 85 oC.
Osciladores OCXO consomem mais energia, são maiores e custam mais
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que TCXO.
Figura 47 - Categorias de osciladores a quartzo baseadas na compensação de variação de
freqüência com a temperatura (Ball-Efratom, 1993).
Osciladores de Rubídio apresentam estabilidade no curto-prazo
equivalente a de um quartzo, porém com uma estabilidade de longo-prazo
muito melhor e mantendo-se dentro da tolerância com poucos ajustes.
Osciladores de rubídio apresentam desvio de freqüência típico na faixa de 1 x
10
-10
a 5 x 10
-12
. A estabilidade típica é de 1 x 10
-12
por dia.
Padrões de Césio apresentam desvio de freqüência típico menor que 5 x
10
-12
e estabilidade da ordem de partes em 10
14
por dia. O componente
principal de um padrão de césio é o tubo de césio (também chamado Cesium
Beam Tube – CBT) e com vida útil típica na faixa de 3 a 7 anos, dependendo
do tipo de tubo e da corrente de feixe utilizada. Tendo em vista que o
Calibração de Tempo e Freqüência
80
ressonador do padrão de césio é o tubo de césio, quando este começa a falhar,
mesmo que o padrão de césio continue a fornecer uma freqüência de
referência, esta freqüência passará a ter as características da base de tempo
do padrão de césio que nada mais é que um oscilador a quartzo. Assim, os
laboratórios que possuem padrões de césio têm que prever a compra de tubo
de césio para reposição.
Masers de Hidrogênio Ativos geram sua freqüência mais diretamente da
ressonância atômica e, com isso, eles apresentam melhor estabilidade no
curto-prazo que os Masers de Hidrogênio Passivos. Ambos os masers de
hidrogênio têm melhor estabilidade no curto-prazo que os padrões de césio e
de rubídio. Contudo, desde que o desempenho dos masers depende de um
conjunto complexo de condições ambientais, em virtude de sua complexidade
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estrutural e tamanho físicorestringindo seu uso a ambientes mais estáticos e
controlados (Ball-Efratom, 1993).
Tabela 3 - Características de diferentes tipos de osciladores
Característica
do Oscilador
Quartzo
Quartzo
(TCXO)
(OCXO)
Rubídio
Césio
Maser de
Hidrogênio
Padrão Primário
Não
Não
Não
Sim
Não
Freqüência de
Ressonância
Mecânica
(varia)
Mecânica
(varia)
Atômica
6,834682608
GHz
Atômica
9,19263177
GHz
Atômica
1,42040575
GHz
Envelhecimento
por ano
5 x 10
5 x 10
5 x 10
nenhum
≈1 x 10
Tempo de
Aquecimento
(warm-up time)
Desvio de
Freqüência após
Aquecimento
< 10 s
a
-6
1 x 10
<5
minutos a
-8
1 x 10
< 5 minutos
a
-10
1 x 10
< 30 minutos a
-12
1 x 10
24 h a
-12
1 x 10
5 x 10
1 x 10 a
-10
1 x 10
1 x 10 a
-12
1 x 10
1 x 10 a
-14
1 x 10
1 x 10 a
-13
1 x 10
Preço
US$ 100
US$ 2000
US$ 3000 a
US$ 8000
US$ 30.000 a
US$ 80.000
US$ 200.000
a 300.000
-7
-6
-9
-8
-10
-10
-12
-13
-12
Calibração de Tempo e Freqüência
81
No capítulo 2.8, observou-se que o relógio atômico de césio do tipo fonte 1
possui exatidão e estabilidade melhores que o padrão de feixe de césio.
Atualmente, o padrão primário de TF do NIST é um padrão de césio tipo
fonte
chamado
NIST-F1
aproximadamente 1,7 x 10
–15
e
apresenta
incerteza
de
freqüência
de
ou exatidão de aproximadamente1 segundo em
20 milhões de anos.
A figura 48 resume a evolução dos padrões de TF do NIST,
cronologicamente, em relação à estabilidade e incerteza (Site NIST, 2006-
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2007).
Figura 48 - Evolução dos padrões de freqüência do NIST
A figura 49 apresenta a incerteza de diversos dispositivos de marcação de
tempo versus períodos de observação (intervalos de medição).
Em inglês: Cesium Fountain Atomic Clock; em francês: Horloge Atomique à Fontaine au
Césium.
1
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Calibração de Tempo e Freqüência
82
Figura 49 - Estabilidade de dispositivos de marcação de tempo versus períodos de observação
3.3.
Métodos de calibração de freqüência
Há três métodos que são usualmente empregados nas medições de TF e
descritos a seguir:
a) Método do Contador de Intervalo de Tempo
Neste método, as duas freqüências são divididas até obter-se,
tipicamente, 1 PPS e mede-se, então, a diferença de tempo entre estes
pulsos, com um contador de intervalo de tempo de alta resolução,
apresentando resolução de até 12 dígitos para 1 segundo:
Calibração de Tempo e Freqüência
83
Figura 50 - Diagrama de blocos do método do contador de intervalo de tempo
b) Método Heterodino
O método heterodino mistura as duas freqüências a ser comparadas e
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mede-se o período da freqüência resultante (freqüência de batimento) da
subtração destas duas freqüências.
Figura 51 - Diagrama de blocos do método heterodino
c) Método de Diferença de Tempo com Duplo Misturador (Dual Mixer
Time Difference = DMTD)
Este método utiliza um contador de intervalo de tempo para medir a
diferença de fase entre dois sinais (com mesma freqüência nominal) através
do batimento destes sinais com uma referência comum que apresenta um
desvio em relação à freqüência nominal destes sinais (Offset Ref):
Calibração de Tempo e Freqüência
84
Figura 52 - Diagrama de blocos do método de diferença de tempo com duplo misturador
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Por exemplo, considere-se que o sinal de teste (fx) seja 5 MHz e a
freqüência Offset Ref seja de 5 MHZ + 10 Hz. Caso o contador tenha base de
tempo de 10 MHz (resolução de 100 ns), a resolução do sistema será de 0,2
ps. Este método é o melhor método para medições de sinais com mesma
freqüência nominal. Além de possibilitar ótima resolução, a freqüência Offset
Ref não precisa ser coerente, nem ter nenhum nível, particularmente baixo, de
ruído ou de alta exatidão pois, em virtude dos batimentos utilizando duplo
misturador, esses efeitos são cancelados no processo (Riley, 2002).
3.4.
Calibração de tempo, padrões de transferência e os sistemas de satélites
Antes de descrever o sistema GPS e sua utilização como padrão de
transferência, deve-se ressaltar o grande problema que é a calibração e
disseminação de tempo (data-hora). Isto por que se tem sempre que levar em
consideração os retardos de tempo entre a saída da fonte de referência de
tempo e a aplicação final.
Em alguns casos de disseminação de tempo, estes retardos podem ser
medidos ou avaliados. Em outros casos, estes retardos podem variar.
Em aplicações com uso de computadores (hardware e software) os
tempos internos de processamento podem ter influência considerável, assim
Calibração de Tempo e Freqüência
85
como os meios de transmissão podem apresentar variações durante
roteamentos dinâmicos entre dois pontos. Situações deste tipo podem resultar
na alteração das características de dispersão dos dados envolvidos.
3.4.1.
Sistema GPS
O Sistema de Posicionamento Global GPS (Global Positioning System) é
um sistema de rádio-navegação desenvolvido e operado pelo Departamento de
Defesa dos Estados Unidos da América U.S. Department of Defense (DoD).
Este sistema é formado por uma constelação de pelo menos 24 satélites,
orbitando ao redor da Terra, a uma altitude de, aproximadamente, 20200 km,
sendo 21 satélites primários e 3 reservas (NIST, Operator’s Manual - Appendix
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A, 2006-2007).
Cada satélite está equipado com seu próprio padrão atômico de
freqüência (Padrão de Césio e/ou de Rubídio) que fica referenciado ao
Observatório Naval dos Estados Unidos da América United States Naval
Observatory (USNO) que, por sua vez, tem rastreabilidade ao National Institute
of Standards and Technology (NIST).
Os 24 satélites orbitam em seis planos fixos (quatro satélites em cada
plano) inclinados de 55o do equador.
Figura 53 - Constelação GPS
Calibração de Tempo e Freqüência
86
Cada satélite tem um período orbital de 11 horas e 58 minutos, o que
significa que cada satélite passa sobre um mesmo lugar sobre a Terra 4
minutos mais cedo a cada dia. Esta constelação assegura que todo ponto da
superfície terrestre, em qualquer instante, esteja visualizado por pelo menos
quatro satélites. Várias áreas da Terra são, por alguns momentos, visualizadas
por até dez satélites.
O projeto foi iniciado em 1973 pelo Departamento de Defesa dos Estados
Unidos com o propósito de que aeronaves e navios militares pudessem
determinar, em qualquer circunstância de tempo, sua posição exata. Outras
necessidades que motivaram tal projeto foram a ajuda no lançamento de
mísseis e a localização de tropas terrestres em movimento.
O sistema NAVSTAR (abreviatura para Navigation Satellite Timing and
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Ranging), nome oficial dado pelo Departamento de Defesa (DoD) dos Estados
Unidos ao GPS, consiste de um segmento espacial (os satélites), um segmento
de controle (as estações terrestres de gerenciamento) e um segmento do
usuário. Todos os vinte e quatro satélites são controlados pelas estações
terrestres de gerenciamento. Existe uma “estação master”, localizada no
Colorado (Estados Unidos), que com o auxílio de cinco estações de
gerenciamento espalhadas pelo planeta, monitoram o desempenho total do
sistema, corrigindo as posições dos satélites e reprogramando o sistema com o
padrão necessário. Após o processamento de todos esses dados, as correções
e sinais de controle são transferidos de volta para os satélites (Dana, Peter H.,
1997).
Em 1995, o sistema GPS foi considerado como tendo alcançado sua
capacidade operacional plena e, embora projetado inicialmente como sistema
de navegação para uso militar dos Estados Unidos da América, sua aplicação
expandiu enormemente para atividades de supervisão, navegação espacial,
sistemas geodésicos de referência, monitoramento automático de veículos,
mapeamento e inúmeras aplicações civis.
A oficialização do uso civil do sistema GPS só veio em 1986, quando o
Federal Radionavigation Plan (FRP) – (U. S. DoD) estabeleceu que o sistema
GPS poderia ser utilizado por usuários civis, em todo o mundo, em regime
Calibração de Tempo e Freqüência
87
permanente, porém com exatidão limitada, especificando dois tipos de serviço
(militar e civil) e que são:
i.
Serviço de Posicionamento Padrão (SPS = Standard Positioning
Service):
nível
especificado
padrão
de
exatidão
de
posicionamento e tempo disponível sem restrições para qualquer
usuário, em regime permanente. A exatidão deste serviço será
sempre estabelecida pelo DoD e baseada nos interesses de
segurança nacional dos Estados Unidos da América. Este serviço
fornece uma exatidão de 100 m (95%), horizontalmente, e 156 m
(95%), verticalmente, e exatidão de transferência de tempo do
UTC de 340 ns (95%). Em relação a este serviço, para limitar a
exatidão de velocidade, posição e tempo, o DoD estabeleceu
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uma política de Disponibilidade Seletiva (SA = Selective
Availability), implementada em 1990. Isto significa introduzir
varáveis
nos
sinais
transmitidos
pelo
GPS
a
fim
de,
intencionalmente, degradar seu desempenho, especialmente em
situações de segurança nacional dos Estados Unidos da
América;
ii.
Serviço de Posicionamento Preciso (PPS = Precise Positioning
Service): o mais exato serviço de posicionamento direto, de
informação de tempo e velocidade disponível mundialmente, em
regime
permanente. Este
serviço
é
limitado
a
usuários
autorizados especificamente pelos Estados Unidos da América.
Equipamento militar passa a ter uma exatidão de 22 m (95%),
horizontalmente, e 27,7 m (95%), verticalmente, e exatidão de
transferência de tempo do UTC de 200 ns (95%) (Dana, Peter H.,
1997);
Em 01 de maio de 2000, o presidente Bill Clinton determinou o fim da
disponibilidade seletiva (SA), liberando um mesmo nível de exatidão do sistema
GPS para utilização civil (ANEXO H).
A difusão de sinais dos satélites GPS ocorre em duas freqüências:
Calibração de Tempo e Freqüência
88
L1 em 1575,42 MHz e L2 em 1227,6 MHz. Tanto em L1 quanto em L2, é
transmitido um sinal spread-spectrum (espectro espalhado) do tipo pseudorandom noise (PRN – ruído pseudo-randômico) e cada satélite é identificado
pelo código PRN que transmite.
Existem dois tipos de código PRN:
i. o primeiro é um “código de aquisição grosseira” (Coarse Acquisition
Code – C/A) com chip rate de 1023 chips por milissegundo.
ii. o segundo é um “código preciso” (P) com chip rate de 10230 chips
por milissegundo.
O C/A é transmitido em L1 e o código P é transmitido tanto em L1 quanto
em L2.
O código C/A se repete a cada milissegundo. O código P se repete
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somente a cada 267 dias.
A recepção GPS é dita line-of-sight, ou seja, a antena deve ter uma
visada direta e clara do céu. Com esta visada direta, os sinais dos satélites
podem ser recebidos em qualquer local da Terra.
Cada satélite carrega um oscilador de rubídio ou césio, ou uma
combinação de ambos. Estes osciladores fornecem a referência para as
portadoras L1 e L2 e para o código. Eles são controlados por estações
terrestres e referenciados ao tempo universal coordenado (UTC) através do
USNO (NIST, Operator’s Manual - Appendix A, 2006-2007).
Para a utilização destes satélites, basta que a antena seja montada em
uma área aberta e com visada clara para o céu e depois conectada ao
receptor. Esta antena costuma ser um disco ou cone com 15 cm de diâmetro.
Ao ligar-se o receptor, ele realiza uma busca para identificar quais
satélites estão visíveis a partir da antena. Então, assim que quatro satélites
estão visíveis, o receptor calcula a coordenada tridimensional (latitude,
longitude e altitude) da antena e começa a gerar um sinal de 1 PPS (1 Pulso
Por Segundo). Alguns também fornecem saídas com freqüências padrões de 1,
5 ou 10 MHz. A coordenada tridimensional da antena é baseada em um
sistema cartesiano geocêntrico (X,Y,Z centrado no centro da Terra), baseado
no sistema WGS-84 (World Geodetic System – 1984) e que pode ser
Calibração de Tempo e Freqüência
89
convertido para coordenadas geodésicas de latitude, longitude e altura acima
da elipsóide de referência.
O mais simples dos satélites tem apenas um canal (monocanal) e rastreia
vários canais usando um esquema seqüencial, no qual vai
chaveando
rapidamente de um satélite para outro.
Receptores
mais
sofisticados
podem
rastrear
vários
satélites
simultaneamente (receptor multicanal). Em geral, tais receptores têm a
capacidade de rastreio entre 5 a 12 satélites simultaneamente, embora
somente em ocasiões raras se consiga visibilidade de mais de 8 satélites.
Fazendo uma média dos dados de vários satélites, o receptor pode reduzir a
incerteza da medição.
O sistema GPS tem várias vantagens sobre os sinais de rádio LF (Low
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Frequency): é de fácil recepção, equipamento não muito caro e com cobertura
mundial e desempenho melhor. Porém, um receptor GPS não apresenta boa
estabilidade no curto-prazo, aumentando o tempo requerido para calibração de
padrões atômicos de freqüência. A figura 54 ilustra uma comparação entre o
GPS e um oscilador de césio com intervalo de medição de 100 s. O oscilador
de césio tem uma incerteza de freqüência de 1 x 10-13 . As variações de fase
apresentadas são devidas fundamentalmente às variações do GPS (NIST,
Operator’s Manual - Appendix A, 2006-2007).
Figura 54 - Oscilador de césio x GPS (intervalo de 100 s)
Calibração de Tempo e Freqüência
90
A figura 55 ilustra este mesmo oscilador de césio versus GPS, em um
intervalo de medição de uma semana, onde podemos observar, além das
variações de fase no curto-prazo, a contribuição do pequeno desvio de
freqüência do césio (<1x10-13), indicada pela reta determinada através dos
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mínimos quadrados (NIST, Operator’s Manual - Appendix A, 2006-2007).
Figura 55 - Oscilador de césio x GPS (intervalo de 1 semana)
3.4.2.
Sistema GLONASS e GALILEO
O sistema GLONASS (Global Navigation Satellite System) é um sistema
composto de uma constelação de satélites análogo ao sistema GPS.
O GLONASS é gerenciado pela Forças Espaciais Russas (Russian Space
Forces)
para
o
Governo
da
Federação
Russa
(Russian
Federation
Government) e é operado pelo Centro de Informação e Coordenação Científica
(KNIT) do Ministério de Defesa da Federação Russa.
O segmento espacial do GLONASS consiste de 21 satélites em três
planos orbitais e três satélites reserva. Estes três planos orbitais estão
separados por 120o e os satélites de um mesmo plano orbital, por 45o. A
altitude é de, aproximadamente, 19100 km e os planos orbitais têm inclinação
de 64,8o com período orbital de 11 horas e 15 minutos. O primeiro dos satélites
GLONASS foi lançado em 1982. O sistema foi declarado plenamente
operacional em 1993 (site GLONASS).
Calibração de Tempo e Freqüência
91
O GALILEO (European Satellite Navigation System) é uma iniciativa da
União Européia e Agência Espacial Européia.
A União Européia, representada pela Comissão Européia, é responsável
pela dimensão política do sistema GALILEO e pela definição dos objetivos (site
GALILEO).
A Agência Espacial Européia é responsável pela definição técnica,
desenvolvimento e validação do projeto GALILEO (site ESA).
GALILEO será o sistema de navegação global por satélite da Europa,
fornecendo serviço de posicionamento global de alta exatidão e sob controle
civil. Terá interoperabilidade com os sistemas GLONASS e GPS.
GALILEO é baseado em uma constelação de 30 satélites orbitando a
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Terra a uma altitude de 24000 km.
3.5.
Métodos de transferência por satélites
Neste capítulo, serão abordados três diferentes métodos de transferência
por satélites: método CV, método TWSTFT e método All-in-view.
3.5.1.
Método Visada Comum
A transferência de tempo por visada comum (Common View Time
Transfer) ou método CV foi desenvolvida por pesquisadores do NIST.
Esta abordagem melhora a técnica one-way (sentido único: neste caso
somente recepção). Ela permite uma comparação direta de dois relógios
(osciladores) em localizações remotas.
O princípio de funcionamento, utilizando-se o sistema de satélite GPS,
que está ilustrado pela figura 56 é o seguinte:
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Calibração de Tempo e Freqüência
92
Figura 56 - Método CV (Common View)
Duas estações A e B recebem um sinal one-way simultaneamente de um
transmissor no satélite e mede a diferença de tempo entre o relógio do satélite
(sinal recebido) e seu próprio relógio local. Os dados são trocados entre as
estações A e B. A diferença de tempo entre os relógios A (clock A) e B (clock
B) é calculada:
[A – GPS- dSA] – [B – GPS – dSB] = A – B –(dSA – dSB)
(3.4)
Caso o tempo de transmissão dSA seja igual ao dSB então os dois locais A
e B podem sincronizar seus relógios com uma exatidão que independe das
características do transmissor e do meio de transmissão.
Flutuações nos retardos entre o transmissor e os dois satélites se
cancelam se elas são correlacionadas. Na prática, esta situação ideal não se
verifica, mas o método funciona bem considerando que a distância entre os
locais receptores seja pequena em relação à distância entre cada receptor e o
satélite; o que é aceitável se lembrarmos que a altitude dos satélites é
Calibração de Tempo e Freqüência
93
aproximadamente 20200 km. Uma desvantagem na técnica CV é que se faz
necessário dispor de um meio de troca das informações entre os dois
receptores e que, essencialmente, as observações sejam feitas sobre o mesmo
satélite ao mesmo tempo.
Esta técnica de GPS common-view (CV) tem sido usada pelo BIPM como
uma das principais técnicas para comparações de tempo internacionais e é
abordada no capítulo 4.
O BIPM publica uma programação de rastreio (tracking schedule) de
forma que diferentes estações possam realizar observações simultâneas
referentes a um mesmo satélite.
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3.5.2.
Método TWSTFT
O método TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer )
utiliza satélites geo-estacionários comerciais para transferência de TF.
Figura 57 - Método TWSTFT
Esta técnica é considerada ativa, quando comparada com o uso do
sistema GPS CV, pois os sinais de tempo são transmitidos e recebidos pelos
dois laboratórios envolvidos, diferentemente do one-way do CV (somente
recepção). O método TWSTFT oferece exatidão maior que o GPS CV, porém
Calibração de Tempo e Freqüência
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exige uma maior infra-estrutura. Ë utilizado principalmente pelos laboratórios
primários de TF para inter-comparações de escalas de tempo atômico.
O BIPM também utiliza esta técnica para cálculo das escalas
internacionais de tempo atômico TAI e UTC.
O primeiro experimento de TWSTFT foi realizado em 1962 entre o NPL e
o USNO, usando o satélite de comunicação Telstar. A exatidão obtida foi de 20
µs e, atualmente, obtém-se exatidão melhor que 1 ns (site NPL).
3.5.3.
Método All-in-View
A organização IGS (International GPS Service ) fornece dados sobre o
desvio de relógios e órbitas precisas dos satélites GPS e GLONASS. Esta nova
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base de dados influenciou diretamente os métodos de transferência de TF.
Com o serviço IGS, os desvios de relógios das estações receptoras podem ser
comparados através de um satélite arbitrário ao invés de um satélite comum.
Este método é chamado All-in-View Time Transfer ou GPS All-in-View =
GPS AV (Weiss M. A., Petit G., Jiang Z., 2005).